趨勢觀察：RISC-Ⅴ架構(gòu)芯片研究進(jìn)展*

RISC-V，即第五代精簡指令集，是一種基于精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原理的開源指令集架構(gòu)（ISA），由美國加州大學(xué)伯克利分校研究團(tuán)隊(duì)于 2010 年設(shè)計(jì)。相對于 X86 指令集的完全封閉及 ARM 指令集高昂的授權(quán)使用費(fèi)，RISC-V 指令集通過支持自由開放的指令集體系架構(gòu)及架構(gòu)擴(kuò)展以提供軟件和硬件自由。RISC-V 的主要優(yōu)點(diǎn)為完全開源、架構(gòu)簡單、易于移植、模塊化設(shè)計(jì)，以及具有完整的工具鏈。

處理器芯片是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的軟肋，是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨的“卡脖子”問題。近年來，國內(nèi)芯片領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都在積極探索實(shí)踐，力求突破。中國在芯片研發(fā)領(lǐng)域的 4 個(gè)技術(shù)關(guān)卡分別為光刻機(jī)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件、晶圓和指令集。由此可見，開源 RISC-V 指令集架構(gòu)對我國在芯片指令集方面技術(shù)破圍意義重大。我國有望通過 RISC-V 擺脫國外的指令集壟斷，打破技術(shù)封鎖。

RISC-V 自誕生以來取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信、人工智能等技術(shù)的興起，物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備成為 RISC-V 最先落地的領(lǐng)域和最大的應(yīng)用市場。各國研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)紛紛加入研究和開發(fā)行列，RISC-V 不僅打破了現(xiàn)有指令集架構(gòu)環(huán)境下英國 ARM 公司和美國Intel公司的兩強(qiáng)壟斷格局，而且建立了一個(gè)開放的生態(tài)及框架來推動(dòng)全球合作和創(chuàng)新。

1 主要國家戰(zhàn)略舉措及特點(diǎn)

開源技術(shù)作為全球科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大驅(qū)動(dòng)力，在新興領(lǐng)域倍受推崇，開源 RISC-V 指令集架構(gòu)尤為受到關(guān)注。目前，全球范圍內(nèi)已有部分國家根據(jù)自身需要布局卡位，支持 RISC-V 架構(gòu)芯片研究及生態(tài)構(gòu)建。

（1）美國強(qiáng)調(diào) RISC-V 指令集在智能裝備芯片領(lǐng)域的戰(zhàn)略應(yīng)用。2017 年 6 月，美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)“電子復(fù)興計(jì)劃”（Electronics Resurgence Initiative），該計(jì)劃旨在解決半導(dǎo)體制程瓶頸以應(yīng)對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的挑戰(zhàn)。“電子復(fù)興計(jì)劃”連續(xù)多年對 RISC-V 指令集的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用給予專項(xiàng)支持。其中，實(shí)現(xiàn)更快速集成電路項(xiàng)目、Posh 開源硬件項(xiàng)目和電子資產(chǎn)的智能設(shè)計(jì)項(xiàng)目明確指明需要基于 RISC-V 指令集進(jìn)行開發(fā)。2021 年 3 月，SciFive 公司與 DARPA 達(dá)成開放許可協(xié)議授權(quán)，SciFive 加入“DARPA 工具箱計(jì)劃”（DARPA Toolbox Initiative）為 DARPA 項(xiàng)目參與者提供基于 RISC-V 的32 位和 64 位內(nèi)核訪問，以支持 DARPA 項(xiàng)目中應(yīng)用程序和嵌入式應(yīng)用的研發(fā)。

（2）歐盟注重 RISC-V 與高性能計(jì)算的結(jié)合。2018 年 12 月，歐盟推出“歐洲處理器計(jì)劃”（European Processor Initiative），擬開發(fā)面向歐洲市場的自主可控低功耗微處理器，降低歐洲超級計(jì)算行業(yè)對外國科技公司的依賴。其中，“歐洲處理器加速器”（European Processor Accelerator）項(xiàng)目作為該計(jì)劃的重要組成部分，其核心是采用免費(fèi)和開源的 RISC-V 指令集架構(gòu)，用于在歐洲境內(nèi)開發(fā)和生產(chǎn)高性能芯片。2021 年 9 月，該項(xiàng)目的最新成果是交付了 143 個(gè)歐洲處理器加速器芯片樣本，這些加速器芯片專為高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。此外，2021 年 1 月開始的 Euro HPC eProcessor 項(xiàng)目旨在基于 RISC-V 指令集體系架構(gòu)構(gòu)建一個(gè)完全開源的歐洲全堆棧生態(tài)系統(tǒng)以適用于 HPC 和嵌入式應(yīng)用。

（3）印度將 RISC-V 指令集定位為國家事實(shí)指令集。2011 年，印度開始實(shí)施處理器戰(zhàn)略計(jì)劃，每年資助 2—3 個(gè)處理器研究項(xiàng)目。該計(jì)劃下的 SHAKTI 處理器項(xiàng)目旨在開發(fā)第一個(gè)印度本土的工業(yè)級處理器；其目標(biāo)是研制 6 款基于 RISC-V 指令集的開源處理器核，其中涵蓋了 32 位單核微控制器、64 核 64 位高性能處理器和安全處理器等。2016 年 1 月，印度電子信息技術(shù)部資助 4 500 萬美元研制一款基于 RISC-V 指令集的 2 GHz 四核處理器。2017 年，印度政府表示將大力資助基于 RISC-V 的處理器項(xiàng)目，使 RISC-V 成為印度的國家事實(shí)指令集。2020 年 8 月，印度政府在全國發(fā)起“微處理器挑戰(zhàn)”（Microprocessor Challenge）項(xiàng)目，以推動(dòng) RISC-V 微處理器的自主研發(fā)，提高國家的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造能力。

（4）以色列、巴基斯坦、俄羅斯尋求多元化指令集架構(gòu)共同發(fā)展。2017 年，以色列國家創(chuàng)新局成立 GenPro 工作組，旨在開發(fā)基于 RISC-V 的快速、高效且獨(dú)立的處理平臺。2019 年，巴基斯坦政府宣布將 RISC-V 列為國家級“首選架構(gòu)”（preferred architecture）。2021 年，俄羅斯公布了一項(xiàng)以 RISC-V 部件為中心的國家數(shù)字化計(jì)劃，該計(jì)劃基于俄羅斯自研 Elbrus 芯片進(jìn)行 RISC-V 部件擴(kuò)展研究。

（5）中國試圖通過 RISC-V 打破芯片領(lǐng)域技術(shù)封鎖。2021 年，在《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，我國首次明確將“開源”列入五年發(fā)展規(guī)劃；“十四五”期間，將支持?jǐn)?shù)字技術(shù)開源社區(qū)等創(chuàng)新聯(lián)合體發(fā)展，完善開源知識產(chǎn)權(quán)和法律體系，鼓勵(lì)企業(yè)開放軟件源代碼、硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用服務(wù)。同時(shí)，各級政府也積極布局 RISC-V 架構(gòu)芯片。2018 年 7 月，上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會發(fā)布的《上海市經(jīng)濟(jì)信息化委關(guān)于開展 2018 年度第二批上海市軟件和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金（集成電路和電子信息制造領(lǐng)域）項(xiàng)目申報(bào)工作的通知》將 RISC-V 相關(guān)產(chǎn)業(yè)列入政府產(chǎn)業(yè)扶持對象，而從事 RISC-V 架構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)和開發(fā)的公司將獲得政策傾斜。2020 年 2 月，廣東省人民政府辦公廳印發(fā)的《加快半導(dǎo)體及集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干意見的通知》中明確將 RISC-V 芯片設(shè)計(jì)列入廣東省重點(diǎn)發(fā)展方向。2021 年 11 月，北京市委市政府印發(fā)《北京市“十四五”時(shí)期國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)規(guī)劃》，明確指出要研發(fā)基于 RISC-V 的區(qū)塊鏈專用加速芯片，進(jìn)一步提高芯片集成度，提高大規(guī)模區(qū)塊鏈算法性能。

2 我國 RISC-V 架構(gòu)芯片領(lǐng)域的重要研究方向態(tài)勢與熱點(diǎn)

（1）學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界日益重視 RISC-V 的安全體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。處理器安全對設(shè)備隱私信息的保護(hù)至關(guān)重要；設(shè)計(jì) RISC-V 安全處理器及安全驗(yàn)證是 RISC-V 領(lǐng)域乃至體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特權(quán)模式和物理內(nèi)存保護(hù)是安全嵌入式處理器的必備特性，RISC-V 指令集架構(gòu)也采用特權(quán)模式來保障處理器的安全；同時(shí)，該架構(gòu)提供了物理內(nèi)存保護(hù)單元（PMP）實(shí)現(xiàn)內(nèi)存訪問控制以保證內(nèi)存安全。其中，北京信息科技大學(xué)和清華大學(xué)微電子學(xué)研究所焦芃源等[1]以一款 32 位 RISC-V 安全處理器為研究對象，通過異常處理程序?qū)μ幚砥鳡顟B(tài)、異常信息進(jìn)行觀測，提出了一套 RISC-V 特權(quán)模式和物理內(nèi)存保護(hù)功能的測試方案；天津大學(xué)微電子學(xué)院劉強(qiáng)等[2]設(shè)計(jì)了一種抗功耗分析攻擊的 RISC-V 處理器的實(shí)現(xiàn)方法；上海交通大學(xué)并行與分布式系統(tǒng)研究所開發(fā)了基于 RISC-V 架構(gòu)的全新可信執(zhí)行環(huán)境“蓬萊”。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)界許多公司以擴(kuò)展硬件 IP 模塊的方式推出安全解決方案，包括加密庫、信任根、安全庫等。

（2）深耕物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域，特定領(lǐng)域?qū)Ｓ?RISC-V 芯片蓬勃發(fā)展。當(dāng)前，X86 和 ARM 兩大指令集分別主宰了服務(wù)器+個(gè)人電腦（PC）和嵌入式移動(dòng)設(shè)備；同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智聯(lián)網(wǎng)（AIoT）等應(yīng)用領(lǐng)域正在為 RISC-V 的發(fā)展提供新的機(jī)遇。RISC-V 架構(gòu)能為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)帶來顯著的靈活性和成本優(yōu)勢，同時(shí)也能推動(dòng)異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)的快速發(fā)展，因而能夠適應(yīng)智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的大容量萬億設(shè)備互聯(lián)，場景豐富及碎片化和多樣化需求。RISC-V 在加速器和專用處理器領(lǐng)域，主要應(yīng)用包括航天器的宇航芯片設(shè)計(jì)，面向物聯(lián)網(wǎng)的智能芯片，面向安全的芯片，用作服務(wù)器上的主板管理控制器，以及圖形處理器（GPU）和硬盤內(nèi)部的控制器等。學(xué)術(shù)界，如中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（以下簡稱“計(jì)算所”）泛在計(jì)算團(tuán)隊(duì)，開展了基于 RISC-V 核心的輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器的研究，探索了 RISC-V 內(nèi)核在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用；上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室則開展了基于 RISC-V 指令集的基帶處理器擴(kuò)展研究項(xiàng)目。而產(chǎn)業(yè)界則在控制領(lǐng)域與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量的基于 RISC-V 的產(chǎn)品和應(yīng)用案例。例如，阿里平頭哥半導(dǎo)體有限公司的開源玄鐵 RISC-V 系列處理器已應(yīng)用于微控制器、工業(yè)控制、智能家電、智能電網(wǎng)、圖像處理、人工智能、多媒體和汽車電子等領(lǐng)域。

（3）尋求突破物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，探索進(jìn)入服務(wù)器、高性能處理器領(lǐng)域。目前，RISC-V 的研究及應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等多場景。但 RISC-V 因其本身低功耗、低成本特性，具備進(jìn)入服務(wù)器、高性能領(lǐng)域的潛力。服務(wù)器定制化及 HPC 對加速器和異構(gòu)平臺的需求增加，為 RISC-V 進(jìn)入服務(wù)器和 HPC 領(lǐng)域提供了機(jī)會。計(jì)算所包云崗提出產(chǎn)業(yè)界可利用 AMD 公司的 Chiplet（小芯片）方式將中央處理器（CPU）、加速器、輸入/輸出（I/O）放在不同晶圓上，其中 CPU 部分使用 RISC-V 架構(gòu)，用 Chiplet 方式組成一個(gè)服務(wù)器芯片，以進(jìn)入服務(wù)器市場。2021 年 6 月，計(jì)算所包云崗團(tuán)隊(duì)推出“香山”開源高性能 RISC-V 處理器核。它第一版架構(gòu)代號“雁棲湖”，基于 28 nm 工藝流片。這標(biāo)志著在計(jì)算所、鵬城實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)支持下，國內(nèi)發(fā)起的高性能 RISC-V 處理器開源項(xiàng)目正式誕生。

3 我國發(fā)展 RISC-Ⅴ 架構(gòu)芯片的問題與建議

（1）積極參與構(gòu)建 RISC-V 生態(tài)，爭取更多 RISC-V 生態(tài)話語權(quán)。CPU 架構(gòu)的影響力主要依賴其生長的一整套生態(tài)系統(tǒng)。2015 年，RISC-V 基金會成立，RISC-V 很快便獲得多家半導(dǎo)體企業(yè)及多國政府的支持，擁有了大量開源實(shí)現(xiàn)和流片案例，產(chǎn)業(yè)生態(tài)逐步進(jìn)入快速發(fā)展期。目前，我國本土已建立了兩大 RISC-V 聯(lián)盟，阿里巴巴公司、華為公司、計(jì)算所、中國科學(xué)院軟件研究所、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等國內(nèi)機(jī)構(gòu)也已相繼加入 RISC-V 芯片研發(fā)陣營并發(fā)布多款 RISC-V 芯片產(chǎn)品。雖然中國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已成為推動(dòng) RISC-V 生態(tài)發(fā)展的重要力量，但在兩方面仍有很大的進(jìn)步空間：①原始創(chuàng)新。目前，國內(nèi) RISC-V 開源社區(qū)的參與者數(shù)量較多，但原始創(chuàng)新較少，應(yīng)用較多。因而，社區(qū)參與者應(yīng)當(dāng)更加注重原始創(chuàng)新，助力我國由開源大國邁向開源強(qiáng)國。②前沿研究。目前，國內(nèi)學(xué)術(shù)界基于 RISC-V 開展的前沿研究依然偏少。建議：我國應(yīng)從產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界發(fā)力原創(chuàng)性研究及前沿研究，促進(jìn)更多有影響力的研究產(chǎn)出，增加 RISC-V 生態(tài)話語權(quán)。此外，軟件生態(tài)的構(gòu)建也至關(guān)重要。例如，在 EDA 領(lǐng)域，目前 RISC-V 處理器應(yīng)用場景對芯片制程要求較低。國內(nèi)可以借此通過開源方式建立 EDA 社區(qū)，匯聚人才，加速國內(nèi) EDA 行業(yè)發(fā)展。

（2）適當(dāng)聚焦 RISC-V 架構(gòu)，加快發(fā)展中國芯片產(chǎn)業(yè)體系。目前，國內(nèi)處理器產(chǎn)業(yè)及科研領(lǐng)域所采用的指令集包羅萬象，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界基于 ARM、MIPS、PowerPC、SPARC、RISC-V、X86 等多種指令集進(jìn)行了擴(kuò)展。但多樣化的指令集必然會分散基礎(chǔ)軟件開發(fā)力量，導(dǎo)致編譯、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟件開發(fā)者由于精力有限而無法兼顧多種指令集的優(yōu)化，延緩自主生態(tài)的建設(shè)。近幾年，隨著 RISC-V 基金會從美國遷至瑞士，其治理架構(gòu)發(fā)生重大變化，我國科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在 RISC-V 基金會理事會高級別會員的比例顯著提高。我國在 RISC-V 生態(tài)中的影響力日益增長，這為我國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，以及開發(fā)新賽道的可能性。建議：我國在目前暫無成熟自主指令集架構(gòu)的情況下，應(yīng)抓住開源 RISC-V 架構(gòu)興起的機(jī)遇，調(diào)整芯片領(lǐng)域技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)政策，適當(dāng)聚焦 RISC-V 架構(gòu)，加快發(fā)展中國芯片產(chǎn)業(yè)體系。

（3）促進(jìn) RISC-V 在處理器教育領(lǐng)域的應(yīng)用，培育芯片設(shè)計(jì)人才。芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新門檻高、投入大，嚴(yán)重阻礙了領(lǐng)域創(chuàng)新研究。芯片設(shè)計(jì)及制造的多個(gè)環(huán)節(jié)都需要巨額的資金與大量的人力投入。這種高門檻導(dǎo)致人才儲備不足，因此如何能夠降低芯片設(shè)計(jì)門檻成為亟待解決的問題。RISC-V 的開源性降低了創(chuàng)新投入門檻，發(fā)展開源芯片/硬件成為中國培育設(shè)計(jì)人才的新發(fā)展模式。2019 年 8 月，中國科學(xué)院大學(xué)啟動(dòng)了“一生一芯”計(jì)劃，其目標(biāo)是通過讓本科生設(shè)計(jì)處理器芯片并完成流片，培養(yǎng)具有扎實(shí)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的處理器芯片設(shè)計(jì)人才。該計(jì)劃是國內(nèi)首次以流片為目標(biāo)的教育計(jì)劃，由 5 位 2016 級本科生主導(dǎo)完成一款 64 位 RISC-V 處理器 SoC 芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)流片。事實(shí)上，學(xué)生是 RISC-V 整個(gè)生態(tài)建設(shè)中不可或缺的力量；包括上海科技大學(xué)在內(nèi)的許多國內(nèi)院校都在與企業(yè)一同培養(yǎng)人才，通過課程作業(yè)設(shè)計(jì)與企業(yè)研發(fā)相關(guān)聯(lián)，將企業(yè)最新的技術(shù)及時(shí)引入課堂，充分發(fā)揮開源化的優(yōu)勢。建議：國家教育管理機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)積極推進(jìn) RISC-V 產(chǎn)學(xué)相結(jié)合的發(fā)展模式，培育更多芯片設(shè)計(jì)人才。

（4）政府在大力支持 RISC-V 發(fā)展的同時(shí)應(yīng)對其保持一定的警戒。RISC-V 雖然開源，但其最初的研發(fā)得益于美國 DARPA 的支持。2020 年，基于持續(xù)保證對開源技術(shù)和軟件的支持及規(guī)避可能帶來的政治風(fēng)險(xiǎn)等諸多因素的綜合考量，RISC-V 基金會總部由美國搬遷到瑞士。2021 年，Intel 公司提出以 20 億美元的收購 RISC-V 領(lǐng)域的明星公司 SiFive，引發(fā)業(yè)界擔(dān)憂。該筆交易可能會像 NVIDIA 公司欲收購 ARM 而影響 ARM 的中立性那樣，讓原本開源的 RISC-V 新增專利壁壘。建議：我國政府和業(yè)界應(yīng)當(dāng)保持一定的危機(jī)感和警戒性，時(shí)刻關(guān)注 RISC-V 全球動(dòng)態(tài)，快速分析可能存在的影響并及時(shí)做出調(diào)整。